(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にＡｌＮ核生成層を成長させる段階と、
上記ＡｌＮ核生成層上にＧａＮバッファ層を成長させる段階と、
上記基板をアニーリングする段階とを含み、
上記ＡｌＮ核生成層はＡｌＮの結晶核の臨界半径より大きく、ＡｌＮの臨界弾性厚さより薄い厚さを有するように形成され、
上記ＧａＮバッファ層はＧａＮの結晶核の臨界半径より大きく、ＧａＮの臨界弾性厚さより薄い厚さを有するように形成され、
上記ＡｌＮ核生成層を成長させる段階と上記ＧａＮバッファ層を成長させる段階が、水素化物気相エピタキシによりインシチュで行われ、
上記ＡｌＮ核生成層を、８００乃至１２００℃の温度において水素化物気相エピタキシにより成長させ、
上記ＧａＮバッファ層を、５００乃至７００℃の温度において水素化物気相エピタキシにより成長させることを特徴とする窒化物系半導体装置の製造方法。
【請求項２】
上記基板は、サファイア、シリコンカーバイド、シリコン、酸化亜鉛、ボロンナイトライド、リチウムアルミネート、リチウムニオベート、ゲルマニウム、窒化アルミニウム及びリチウムガレートとからなる群より選択されたものから成ることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体装置の製造方法。
【請求項３】
上記ＡｌＮ核生成層を、１０００乃至１１００℃の温度において水素化物気相エピタキシにより成長させることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体装置の製造方法。
【請求項４】
上記ＧａＮバッファ層を、５００乃至６００℃の温度において水素化物気相エピタキシにより成長させることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体装置の製造方法。
【請求項５】
上記アニーリングする段階が、窒素雰囲気で５００乃至９００℃の温度範囲において行われることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体装置の製造方法。
【請求項６】
上記アニーリングする段階が、窒素雰囲気で８００乃至９００℃の温度範囲において行われることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体装置の製造方法。
【請求項７】
上記アニーリング段階の後に、ＧａＮ半導体層を成長させることをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体装置の製造方法。
【請求項８】
上記窒化物系半導体装置が、ＧａＮ系半導体光素子である請求項１に記載の窒化物系半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物系半導体装置の製造方法に関するものであって、特に異種基板上においてＧａＮ系半導体層を成長させる方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＡｌｘＧａｙＩｎ(１-ｘ-ｙ)Ｎ系(０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ+ｙ≦１；以下、単にＧａＮという)半導体を用いた３族窒化物発光ダイオード(ＬＥＤ)が開発されてから、ＧａＮ系半導体は、青色、緑色または白色光源ソースとして現在注目を浴びており、これに関する多くの技術的進歩が得られた。しかし、ＧａＮ系半導体層の成長において最大の問題は、ＧａＮ系半導体を成長するための基板が未だ十分に発展していないということである。
【０００３】
かかるＧａＮ系半導体成長用基板の問題を解決するために、多くの試みがなされており、その中の一つはシリコン(Ｓｉ)基板を代替基板として用いることである。従来は、サファイア基板を用いてその基板上にＧａＮ系物質をＭＯＣＶＤ(有機金属化学気相蒸着)などの方法により成長させてきた。しかし、サファイアとＧａＮ系半導体間の格子不整合、及び熱膨脹係数の差異などにより、サファイア基板上に成長させるＧａＮ系半導体の結晶性は良くなく、ＧａＮ系半導体内に多数の欠陥が見出される。また、サファイア基板は比較的高価であり、大口径化に適さないという短所を有している。
【０００４】
これに反して、シリコンは大口径化に好適で、かつ経済的であり、シリコン系の他の電子素子、及び光素子との集積が可能である。これによりシリコン基板が代替基板として注目を浴びている。しかし、シリコン基板とＧａＮ系物質間の格子定数の差異、及び熱膨脹係数の差異のためシリコン基板から良質のＧａＮ薄膜を成長させにくい。こういった問題を解決するために、種々の物質及び構造のバッファ層の試みがなされている。その中でもＡｌＮ、またはＧａＮバッファ層に対する様々な研究が進んでいるが、まだ満足できるような結果はない。米国特許出願第２００１-９００８３３号には、ＨＶＰＥ(Ｈｙｄｒｉｄｅ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ)成長法を通じてバルクＧａＮ単結晶を製造する方法が開示されている。
【０００５】
図１は、従来の方法により製造された窒化物系半導体装置１０の側断面図である。図１を参照すると、(１１１)を主面とするシリコン基板１１上に５００乃至７００℃でＭＯＣＶＤなどにより成長させた低温ＡｌＮバッファ層１３が形成されている。その上には得ようとするＧａＮ半導体層１９を成長させている。上記低温ＡｌＮバッファ層１３は、シリコン基板１１とＧａＮ半導体層１９間の格子不整合、及び熱的特性の差異によるストレスを緩和させる役割を果たす。低温ＡｌＮバッファ層１３の構造及びその製造方法は、既に本技術分野の当業者らに知られている。上記低温ＡｌＮバッファ層１３の代りにＡｌＮ層とＧａＮ層を交互に繰り返し積層して超格子層(ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ  ｌａｙｅｒｓ)構造を形成することもできる。このような超格子構造は転位などの結晶欠陥が伝達されることをある程度防止する。
【０００６】
しかし、このようなバッファ層１３を成長させたとしても、その物性には限界があり、バッファ層上に成長したＧａＮ半導体層はやはり多数の欠陥を保有している。従って、新たな製造方法によって、シリコン基板などの異種基板上に成長させるＧａＮ層の結晶性をさらに改善することが必要である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記した問題点を解決するためのものであって、本発明の目的はシリコン基板など異種基板上に高品質のＧａＮ系半導体層を容易に形成させることのできる窒化物系半導体装置の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した技術的課題を達成するための本発明による窒化物系半導体装置の製造方法は、基板上にＡｌＮ核生成層を成長させる段階と、上記ＡｌＮ核生成層上にＧａＮバッファ層を成長させる段階と、上記基板をアニーリングする段階とを含み、上記ＡｌＮ核生成層はＡｌＮの結晶核の臨界半径より大きく、ＡｌＮの臨界弾性厚さより薄い厚さを有するように形成され、上記ＧａＮバッファ層はＧａＮの結晶核の臨界半径より大きくＧａＮの臨界弾性厚さより薄い厚さを有するように形成され、上記ＡｌＮ核生成層を成長させる段階と上記ＧａＮバッファ層を成長させる段階が、水素化物気相エピタキシによりインシチュで行われ、上記ＡｌＮ核生成層を、８００乃至１２００℃の温度において水素化物気相エピタキシにより成長、上記ＧａＮバッファ層を、５００乃至７００℃の温度において水素化物気相エピタキシにより成長させることを特徴とする。
【０００９】
本発明の実施形態によれば、上記ＡｌＮ核生成層を成長させる段階と上記ＧａＮバッファ層を成長させる段階とは、水素化物気相エピタキシ(Ｈｙｄｒｉｄｅ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ；ＨＶＰＥ)によりインシチュ(ｉｎ-ｓｉｔｕ)で行うことができる。このようにＨＶＰＥにより、インシチュで上記ＡｌＮ核生成層及びＧａＮバッファ層を成長させることによって、速い成長速度を得ることができる。
【００１０】
本発明の実施形態によれば、上記基板はサファイア、シリコンカーバイド(Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｃａｒｂｉｄｅ)、シリコン、酸化亜鉛、ボロンナイトライド(Ｂｏｒｏｎ  Ｎｉｔｒｉｄｅ)、リチウムアルミネート(Ｌｉｔｈｉｕｍ  Ａｌｕｍｉｎａｔｅ)、リチウムニオベート(Ｌｉｔｈｉｕｍ  Ｎｉｏｂａｔｅ)、ゲルマニウム、窒化アルミニウム及びリチウムガレート(Ｌｉｔｈｉｕｍ  Ｇａｌｌａｔｅ)からなる群より選択することができる。
【００１１】
本発明の好ましい実施形態によれば、上記ＡｌＮ核生成層は８００乃至１２００℃の温度においてＨＶＰＥにより成長させる。より好ましくは、上記ＡｌＮ核生成層は１０００乃至１１００℃の温度においてＨＶＰＥにより成長させる。このように高温でＡｌＮ核生成層を成長させることによって、初期に結晶核が容易に生成され、その後徐々に側方向への成長が促進される。このようなＡｌＮ核生成層は、後続のＧａＮバッファ層成長に対する良好なシード層(ｓｅｅｄ  ｌａｙｅｒ)を提供することが可能となる。特に、上記ＡｌＮ核生成層は臨界弾性厚さより薄い厚さで形成されることで、後続工程において成長させるＧａＮバッファ層に転位(ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ)などの欠陥が伝達されることを抑制する。
【００１２】
本発明の好ましい実施形態によれば、上記ＧａＮバッファ層は５００乃至７００℃の温度においてＨＶＰＥにより成長させる。より好ましくは、上記ＧａＮバッファ層は５００乃至６００℃の温度においてＨＶＰＥにより成長させる。このように、低温でＧａＮバッファ層を成長させることにより、上記ＡｌＮ核生成層から側方向成長を継続して促進させるようになり、それによって後続のＧａＮ系半導体層成長に対する良好な基板層(ｂａｓｅ  ｌａｙｅｒ)を提供することが可能となる。特に、上記ＧａＮバッファ層は臨界弾性厚さより薄い厚さに形成することで、後続工程において成長させるＧａＮ系半導体層に転位などの欠陥が伝達されることを抑制できる。
【００１３】
本発明の好ましい実施形態によれば、上記アニーリングする段階は、窒素(Ｎ２)雰囲気で５００乃至９００℃の温度範囲内において行う。より好ましくは、上記アニーリングする段階は窒素雰囲気で８００乃至９００℃の温度範囲において行う。上記アニーリングは、上記成長させたＡｌＮ核生成層及びＧａＮバッファ層の内部組織に生じた損傷を回復させる。また、アニーリング時間をＬ２/ＤＧａより大きくすることにより、Ｇａ原子が十分に拡散して安定に配置されるようにする。
【００１４】
本発明の一実施形態によれば、上記製造方法は、上記アニーリング段階の後にＧａＮ系半導体層を成長させることをさらに含む。本発明の窒化物系半導体装置の製造方法は、ＧａＮ系発光ダイオード、或はＧａＮ系半導体レーザーダイオードなどのＧａＮ系半導体光素子の製造に有用である。
【００１５】
本明細書において、ＧａＮ系物質またはＧａＮ系半導体は、ＡｌｘＧａｙＩｎ(１-ｘ-ｙ)Ｎ(０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ+ｙ≦１)で表される２成分系(ｂｉａｎａｒｙ)、３成分系(ｔｅｒｎａｒｙ)、または４成分系(ｑｕａｔｅｒｎａｒｙ)化合物半導体を意味する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、シリコン基板などの異種基板上にＡｌＮ核生成層とＧａＮバッファ層を成長させた後、その上にＧａＮ層を成長させることによって、良質のＧａＮ系半導体層を得ることが可能となる。また、ＨＶＰＥによりインシチュでＡｌＮ核生成層とＧａＮバッファ層を成長させることによって、工程速度を向上させることができる。さらに、シリコンなどの基板を用いて高品質のＧａＮ系結晶層を得ることができるので、他の電子素子を集積させることが容易で、かつ窒化物発光素子を低コストで製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】従来方法により製造されたＧａＮ系半導体装置の側断面図である。
【図２】本発明により製造されたＧａＮ系半導体装置の側断面図である。
【図３】本発明の一実施形態によるＧａＮ系半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。
【図４】本発明の一実施形態によるＧａＮ系半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。
【図５】本発明の一実施形態によるＧａＮ系半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。
【図６】本発明の一実施形態によるＧａＮ系半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付された図面を用いて本発明の実施形態を説明する。しかし、本発明の実施形態は様々な異なる形態で変形されることができ、本発明の範囲が以下に説明する実施形態に限定されるものではない。本発明の実施形態は、当業界において平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。従って、図面における要素等の形状及び大きさなどは、より明確な説明のために誇張することができ、図面上の同一な符号で表示される要素は同じ要素である。
【００１９】
図２は、本発明の一実施形態により製造された窒化物系半導体装置１００を示す側端面図である。図２を参照すると、ＧａＮ系物質とは異なる異種基板１０１上にＡｌＮ核生成層１０３、ＧａＮバッファ層１０５が順次形成されており、ＧａＮバッファ層１０５上には目的とするＧａＮ系半導体層、例えばＧａＮ半導体層１０７が形成されている。上記異種基板１０１には、シリコンカーバイド(Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｃａｒｂｉｄｅ)、シリコン、酸化亜鉛、ボロンナイトライド(Ｂｏｒｏｎ  Ｎｉｔｒｉｄｅ)、リチウムアルミネート(Ｌｉｔｈｉｕｍ  Ａｌｕｍｉｎａｔｅ)、リチウムニオベート(Ｌｉｔｈｉｕｍ  Ｎｉｏｂａｔｅ)、ゲルマニウム、窒化アルミニウム及びリチウムガレート(Ｌｉｔｈｉｕｍ  Ｇａｌｌａｔｅ)からなる群より選択することができる。例えば、上記基板１０１としてシリコン基板を使用することができる。シリコン基板は、他のシリコン系電子素子との集積性及び費用の面において多くの長所を有している。
【００２０】
上記ＡｌＮ核生成層１０３の厚さ(ｈＡｌＮ)は、Ｒｃｒ１＜ｈＡｌＮ＜ｈｃｒ１の範囲を満足する。ここで、Ｒｃｒ１は基板１０１上のＡｌＮの結晶核臨界半径に該当し、ｈｃｒ１はＡｌＮの臨界弾性厚さに該当する。また、上記ＧａＮバッファ層１０５の厚さ(ｈＧａＮ)は、Ｒｃｒ２＜ｈＧａＮ＜ｈｃｒ２の範囲を満足する。ここで、Ｒｃｒ２はＡｌＮ核生成層１０３上のＧａＮの結晶核の臨界半径に該当し、ｈｃｒ２はＧａＮの臨界弾性厚さに該当する。このように、それぞれ臨界弾性厚さより薄い厚さを有するようＡｌＮ核生成層１０３とＧａＮバッファ層１０５を形成させることにより、上部層に転位欠陥が伝達されることを抑制できる。
【００２１】
後述するように、ＡｌＮ核生成層１０３の上部領域は側方向成長が優勢な領域に該当する。従って、ＡｌＮ核生成層１０３の上面は良質の結晶面を成す。また、後述するように、ＡｌＮ核生成層１０３及びＧａＮバッファ層１０５を成長させた後５００℃以上で(好ましくは、８００乃至９００℃で)アニーリングを行ったため、上記ＡｌＮ核生成層１０３、ＧａＮバッファ層１０５、及びＧａＮ半導体層１０７は、従来に比べ改善された結晶状態を示す。つまり、本発明によれば、異種基板１０１とその上に形成されたＧａＮ半導体層１０７の格子不整合、及び熱膨脹係数の差異にもかかわらず、高品質のＧａＮ半導体層１０７を得ることが可能となる。
【００２２】
以下、本発明の一実施形態による窒化物系半導体装置の製造方法を説明する。図３乃至図６は、本発明の一実施形態によるＧａＮ系半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。
【００２３】
先ず、図３を参照すると、ＧａＮ系物質を成長させるための異種基板１０１を用意する。先述したように、上記異種基板１０１は、サファイア、シリコンカーバイド、シリコン、酸化亜鉛、ボロンナイトライド、リチウムアルミネート、リチウムニオベート、ゲルマニウム、窒化アルミニウム及びリチウムガレートからなる群より選択することができる。特に、異種基板１０１としてシリコン基板を使用することにより、量産性、費用及び他の素子の集積能力の面において多くの利点を得ることができる。
【００２４】
次に、図４に示しているように、Ａｌソースガスと窒素ソースガスを用いたＨＶＰＥ工程を行うことにより、基板１０１上にＡｌＮ核生成層１０３を成長させる。使用するＡｌソースガスには、例えばアルミニウムトリクロライド(ａｌｕｍｉｎｉｕｍ  ｔｒｉｃｈｌｏｒｉｄｅ；ＡｌＣｌ３)を使用することができる。アルミニウムトリクロライドは、例えば、アルミニウム金属に塩化水素(ＨＣｌ)ガスを加えることにより形成され得る。窒素ソースガスにはＮＨ３ガスが用いられる。
【００２５】
先述したように、上記ＡｌＮ核生成層１０３はＲｃｒ１(ＡｌＮの結晶核臨界半径)＜ｈＡｌＮ(ＡｌＮ核生成層の厚さ)＜ｈｃｒ１(ＡｌＮの臨界弾性厚さ)の範囲を満足する厚さを有するように成長させる。この際、上記ＡｌＮ核生成層１０３の成長温度は８００乃至１２００℃(さらに、好ましくは１０００乃至１１００℃)の温度範囲内で設定する。このように高温でＡｌＮ核生成層１０３を成長させることによって、初期には結晶核臨界半径(Ｒｃｒ１)以上の大きさを有する結晶核が容易に生成され、その後徐々に側方向への成長が促進される。側方向成長を通して得たＡｌＮ核生成層１０３は滑らかな上面を有するようになる。これにより、上記ＡｌＮ生成層１０３は、後続のＧａＮバッファ層成長のための良好なシード層を提供することが可能となる。特に、上記ＡｌＮ核生成層１０３は、ＡｌＮの臨界弾性厚さ(約１０００乃至２０００Å)より薄い厚さで形成することで、後続工程において成長させるＧａＮバッファ層に転位(ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ)などの欠陥の伝達を抑制することができる。
【００２６】
次に、図５に示しているように、Ｇａソースガスと窒素ソースガスを用いたＨＶＰＥ工程を行うことにより、上記ＡｌＮ核生成層１０３上にＧａＮバッファ層１０５を成長させる。この際、ＧａＮバッファ層１０５の成長は上記ＡｌＮ核生成層１０３の成長時に使用した反応炉を利用してインシチュ(ｉｎ-ｓｉｔｕ)で行う。使用するＧａソースガスには、例えば、ガリウムクロライド(Ｇａｌｌｉｕｍ  ｃｈｌｏｒｉｄｅ)を使用することができる。ガリウムクロライドは、例えば、ガリウム金属に塩化水素(ＨＣｌ)ガスを加えることにより形成され得る。窒素ソースガスにはＮＨ３ガスを利用することができる。このようにＨＶＰＥを使用してインシチュでＡｌＮ核生成層１０３とＧａＮバッファ層１０５を成長させることにより、早い成長速度を得ることができ、それにより工程時間が短くなる。
【００２７】
先述したように、上記ＧａＮバッファ層１０５は、Ｒｃｒ２(ＧａＮの結晶核臨界半径)、ｈＧａＮ(ＧａＮバッファ層の厚さ)、ｈｃｒ２(ＧａＮの臨界弾性厚さ)の範囲を満足する厚さを有するように成長させる。この際、上記ＧａＮバッファ層１０５の成長温度は５００乃至７００℃(さらに、好ましくは５００乃至６００℃)の温度範囲内で設定する。このように低温でＧａＮバッファ層１０５を成長させることにより、ＡｌＮ核生成層１０３から継続して側方向へ優勢にＧａＮバッファ層１０５を成長させることが可能となる。これにより、上記ＧａＮバッファ層１０５は比較的良質の結晶状態を成すようになり、それにより後続のＧａＮ半導体層成長のための良好な基板層(ｂａｓｅ  ｌａｙｅｒ)を提供することが可能となる。特に、上記ＧａＮバッファ層１０５はＧａＮの臨界弾性厚さ(約１０００乃至２０００Å)より薄い厚さで形成することで、後続工程において成長させるＧａＮ半導体層(図６の図面符号１０７参照)への転位欠陥の伝達を抑制できるようになる。
【００２８】
次に、ＧａＮバッファ層１０５が形成された上記基板１０１をアニーリングする。この際、アニーリング時間はＬ２/ＤＧａ(Ｌ；Ｇａの拡散距離、ＤＧａ；上記ＡｌＮ核生成層におけるＧａの拡散係数)より大きくする。好ましくは、アニーリング工程は窒素(Ｎ２)雰囲気で５００乃至９００℃の温度範囲内において行う。より好ましくは、８００乃至９００℃の温度範囲においてアニーリングする。このようなアニーリングにより、上記成長させたＡｌＮ核生成層１０３及びＧａＮバッファ層１０５の内部組織に生じた損傷を回復させることが可能である。特に、アニーリング時間をＬ２/ＤＧａより大きくすることにより、Ｇａ原子が十分に拡散して安定に配置できるようにする。これにより、アニーリングによりＡｌＮ核生成層１０３及びＧａＮバッファ層１０５の結晶性は著しく改善される。
【００２９】
その後、図６に示しているように、所望のＧａＮ系半導体層、例えばＧａＮ半導体層１０７を成長させる。これにより本実施形態による窒化物系半導体装置１００が得られる。ＧａＮ半導体層１０７は、例えばＨＶＰＥ、或はＭＯＣＶＤ(有機金属化学気相蒸着)により成長させることが可能である。ＭＯＣＶＤを利用してＧａＮ半導体層１０７を成長させる場合、ＧａソースガスとしてＴＭＧ(Ｔｒｉｍｅｔｈｙｌ  Ｇａｌｌｉｕｍ)ガスを使用することができる。
【００３０】
先述したように、ＡｌＮ核生成層１０３及びＧａＮバッファ層１０５は、比較的良質の結晶性を有するばかりでなく、ＧａＮバッファ層１０５の上への転位欠陥の伝達が少ないため、ＧａＮバッファ層１０５上に成長させるＧａＮ半導体層１０７は高品質の結晶状態を有するようになる。このような窒化物系半導体装置の製造方法は、ＧａＮ系発光ダイオード、或はＧａＮ系半導体レーザーダイオードなどのＧａＮ系半導体光素子を製造するのに有用である。ＧａＮバッファ層１０５上に成長するＧａＮ半導体層１０７は高品質の結晶性を有するので、本発明の製造方法を使用して製造されたＧａＮ系半導体光素子(ＬＥＤまたはＬＤ)は、高品質の結晶性と素子性能を実現することが可能である。
【００３１】
本発明は、上述した実施形態及び添付された図面によって限定されるものではなく、添付された請求範囲によって限定する。また、本発明は請求範囲に記載した本発明の技術的思想を外れない範囲内において、多様な形態の置換、変形及び変更が可能なことは当技術分野の通常の知識を有する者にとっては自明である。
【符号の説明】
【００３２】
１０１  基板
１０３  ＡｌＮ核生成層
１０５  ＧａＮ半導体層
１０７  ＧａＮバッファ層
【図１】
0005531345.tif 000002
【図２】
0005531345.tif 000003
【図３】
0005531345.tif 000004
【図４】
0005531345.tif 000005
【図５】
0005531345.tif 000006
【図６】
0005531345.tif 000007